【摘要】：為了探究直井水力壓裂過(guò)程中定向射孔參數(shù)對(duì)壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響,采用擴(kuò)展有限元方法對(duì)水壓致裂巖石的流固耦合模型進(jìn)行求解,從射孔方位、射孔長(zhǎng)度和射孔相位角3個(gè)方面分析了裂縫自射孔孔眼起裂的擴(kuò)展和轉(zhuǎn)向規(guī)律。研究結(jié)果表明:射孔方位對(duì)裂縫周?chē)貙訅毫Ψ植紟缀鯖](méi)有影響;射孔方位角較小的孔眼具有較低的起裂壓力和較高的擴(kuò)展壓力,壓裂后容易形成長(zhǎng)而寬的裂縫;射孔方位角較大的孔眼則具有較高的起裂壓力和較低的擴(kuò)展壓力,壓裂后容易形成短而窄的裂縫;隨著射孔長(zhǎng)度的增加,重新定向距離逐漸增長(zhǎng),在轉(zhuǎn)向處易形成相對(duì)較寬的裂縫;射孔相位角過(guò)小容易引發(fā)裂縫干擾,射孔方位角較小的裂縫優(yōu)先擴(kuò)展并對(duì)后擴(kuò)展的裂縫產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制作用。在施工時(shí),為獲得較好的改造效果,應(yīng)盡量選擇小方位射孔;為避免縫間干擾,射孔相位角應(yīng)大于45°。
【圖文】：

，有效射孔方位角范圍為30~60°［3］。因此，模擬分析了30°與60°方位角射孔條件下，地層孔隙壓力、裂縫內(nèi)流體壓力以及縫寬和縫長(zhǎng)隨壓裂時(shí)間的變化關(guān)系，模擬結(jié)果見(jiàn)圖3—6。a數(shù)值模擬結(jié)果b物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果［3］圖2射孔方位角為60°時(shí)，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比對(duì)比圖3a與圖3b可知：在30°與60°方位角射孔條件下，地層壓力在裂縫周?chē)窗l(fā)生明顯變化；裂縫轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)的地層壓力值最大，近裂縫區(qū)呈尖核狀分布，遠(yuǎn)離裂縫區(qū)逐漸呈橢圓狀分布，且離裂縫越遠(yuǎn)，地層壓力變化越校a方位角30°b方位角60°圖330°與60°方位角射孔條件下地層壓力分布由圖4可知，裂縫內(nèi)流體壓力隨壓裂時(shí)間快速增加，達(dá)到地層破裂壓力之后，流體壓力迅速降低，最終趨于平穩(wěn)。當(dāng)時(shí)間為0~15s時(shí)，在井筒附近，60°射孔裂縫內(nèi)的流體壓力高于30°射孔內(nèi)的流體壓力———說(shuō)明射孔方位越大，地層發(fā)生破裂所需的壓力越大。隨著壓裂時(shí)間的增長(zhǎng)（大于15s），60°射孔裂縫內(nèi)的壓力低于30°射孔裂縫內(nèi)的壓力———說(shuō)明60°射孔裂縫內(nèi)的流體受到摩擦阻力的影響較大，阻礙了裂縫內(nèi)的壓力傳導(dǎo)，造成了壓力損失。裂縫寬度與裂縫橫向張開(kāi)位移的關(guān)系為wf=u+-u-（9）式中：wf為裂縫寬度，m；u+為裂縫上表面的節(jié)點(diǎn)位移，參數(shù)模型尺寸/m0.3×0.3×0.310.0×10.0×30.0井筒半徑/m0.0150.200射孔長(zhǎng)度/m0.20.3彈性模量/GPa8.40225.000泊松比0.230.25最小水平主應(yīng)力/MPa120最大水平主應(yīng)力/MPa430巖樣滲透率/μm20.1×10-31.0×10-9孔隙度/%1.855.00孔隙壓力/MPa30抗拉強(qiáng)度/MPa2.592.00斷裂韌度/（MPa·m1/2）5注入速率/（m3·s-1）2.10×10

斷塊油氣田2017年5月m；u-為裂縫下表面的節(jié)點(diǎn)位移，m。圖4裂縫內(nèi)流體壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系由圖5可知，無(wú)論是裂縫上表面還是裂縫下表面節(jié)點(diǎn)位移，30°方位角射孔的裂縫都高于60°方位角射孔的裂縫。因此，30°方位角射孔條件下的裂縫擴(kuò)展寬度明顯大于60°方位角下裂縫的擴(kuò)展寬度。a裂縫上表面b裂縫下表面圖5裂縫張開(kāi)位移隨時(shí)間的變化關(guān)系由圖6可知，30°方位角下射孔形成的裂縫長(zhǎng)度大于60°的裂縫長(zhǎng)度。上述研究表明：射孔方位較小的孔眼起裂壓力低，在井眼附近易形成較小曲率的裂縫，這樣有利于降低注入壓力和流動(dòng)阻力，從而易形成長(zhǎng)而寬的裂縫；射孔方位較大的孔眼，起裂壓力高，易形成較大曲率的裂縫，壓裂液在其中流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦阻力與壓降損失，不利于流體流動(dòng)與壓力傳導(dǎo)，其結(jié)果可能導(dǎo)致支撐劑沉降、砂堵，甚至造成壓裂施工的失敗。圖6裂縫半長(zhǎng)隨時(shí)間的變化關(guān)系3.2.2射孔長(zhǎng)度合適的射孔長(zhǎng)度有利于穿過(guò)近井污染區(qū)，減小井筒效應(yīng)對(duì)裂縫起裂擴(kuò)展的影響［13］。選取射孔長(zhǎng)度與井筒半徑的比值，衡量射孔長(zhǎng)度裂縫形態(tài)的影響。本文共進(jìn)行6個(gè)計(jì)算模型的模擬，比值分別取1.0，1.5，2.0，3.0，4.0，5.0，射孔方位為45°。結(jié)果表明，射孔長(zhǎng)度與井筒半徑的比值越大，重新定向的距離越大，并在轉(zhuǎn)向處形成較寬的裂縫，有利于壓裂液的流入與支撐劑的填充。3.2.3射孔相位角在壓裂施工過(guò)程中，為了保證達(dá)到預(yù)期壓裂效果，一般傾向于選擇較小的射孔相位角，如30°，45°或60°。當(dāng)射孔相位角為30°時(shí)（見(jiàn)圖7），優(yōu)先擴(kuò)展的裂縫會(huì)對(duì)后擴(kuò)展的裂縫產(chǎn)生很強(qiáng)的限制作用，迫使射孔方位較大的裂縫發(fā)生不規(guī)則轉(zhuǎn)向，，并向低射孔方位方向延伸，從而導(dǎo)致不能形成有效
【作者單位】： 西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院;中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣工程研究院;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“頁(yè)巖氣藏水平井液態(tài)氣動(dòng)力壓裂增產(chǎn)新方法研究”(51374170) 陜西省教育廳省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目“低滲透油藏注氣(氮?dú)�、二氧化�?提高原油采收率技術(shù)研究”(09JS036)
【分類(lèi)號(hào)】：TE357.1

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